Investigación de la banda de energía en las heterouniones de ZnO / β-Ga2O3 depositado en la capa atómica (\ (\ overline {2} 01 \))

Introducción

Óxido de galio (Ga ₂ O ₃ ) ha sido ampliamente investigado como un material semiconductor de banda prohibida ultraancha prometedor para dispositivos electrónicos de potencia de próxima generación debido a sus propiedades únicas [1]. Entre varios polimorfos (α, β, γ, δ y ε), β-Ga ₂ monoclínico O ₃ tiene la mayor estabilidad térmica [2]. Además, β-Ga ₂ O ₃ tiene una banda prohibida a temperatura ambiente de 4.5 ~ 4.9 eV y una excelente estabilidad química [3]. Especialmente, β-Ga ₂ O ₃ tiene una gran movilidad de electrones a granel de ∼100 cm ² / V · s, campo de ruptura mucho mayor de 8 MV / cm que el de SiC (3,18 MV / cm) o GaN (3 MV / cm) [4], y la concentración de portadores se puede modular fácilmente dopando Sn y Si [ 5, 6]. Por lo tanto, β-Ga ₂ O ₃ Se ha informado de dispositivos basados ​​en la energía solar, incluidos fotodetectores ciegos [7] y transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) [8]. Sin embargo, todavía existen limitaciones en β-Ga ₂ O ₃ dispositivos basados ​​en, como el pobre contacto óhmico entre el metal y β-Ga ₂ O ₃ [9]. En el último año, se insertó una capa intermedia semiconductora de óxido de metal de alta concentración de electrones, es decir, una capa semiconductora intermedia (ISL) entre el metal y Ga ₂ O ₃ , ha demostrado ser una resolución eficaz debido a la modulación de la barrera de energía en la interfaz [10,11,12].

El óxido de zinc (ZnO) ha atraído mucha atención porque tiene una gran energía de enlace de excitones de 60 meV, una alta concentración de electrones de> 10 ¹⁹ cm ⁻³ y una fuerte energía cohesiva de 1,89 eV. [13, 14] Además, la falta de coincidencia de la red entre ZnO y Ga ₂ O ₃ está dentro del 5% [15]. Se han desarrollado varias técnicas de deposición para preparar películas de ZnO, incluido el método hidrotermal [16, 17] y la deposición química en fase de vapor (CVD). [18] Sin embargo, el método hidrotermal necesita un proceso complicado y la tasa de crecimiento es muy lenta, y la ECV generalmente requiere una temperatura de crecimiento alta y silenciosa por encima de 900 ° C. Estos inconvenientes dificultan su aplicación en dispositivos. Recientemente, la deposición de capa atómica (ALD) ha surgido como una técnica prometedora, que exhibe una excelente cobertura escalonada, controlabilidad del espesor de escala atómica, buena uniformidad y una temperatura de deposición relativamente baja. En consecuencia, el ZnO depositado en la capa atómica en semiconductores de banda ancha puede reducir el desorden de la interfaz y producir una muestra más controlable para examinar la alineación de la banda de energía, que desempeña un papel importante en el proceso de transporte de portadores [19]. Hasta ahora, alineación de bandas entre Ga ₂ O ₃ y el ZnO depositado en la capa atómica no se ha estudiado mediante experimentos, aunque hay algunos informes sobre la alineación teórica de bandas de ZnO y Ga ₂ O ₃ . [20] Por lo tanto, comprender la alineación de la banda de energía del ZnO / β-Ga ₂ depositado en la capa atómica O ₃ La heterounión es muy deseable para el diseño y análisis físico de dispositivos relevantes en el futuro. En este trabajo, la alineación de la banda de energía del ZnO depositado en la capa atómica en β-Ga ₂ O ₃ se caracterizó por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Además, también se abordó la influencia de la temperatura de crecimiento de ZnO en la alineación de la banda.

Métodos

β-Ga ₂ O ₃ (\ (\ overline {2} 01 \)) sustratos con una concentración de dopaje de Sn de ~ 3 × 10 ¹⁸ / cm ³ se cortaron en cubitos en trozos pequeños del tamaño de 6 × 6 mm ² . Las muestras cortadas en cubitos se limpiaron alternativamente en acetona, isopropanol mediante limpieza ultrasónica cada 10 min, posteriormente se enjuagaron con agua desionizada para eliminar los disolventes orgánicos residuales. Después de eso, Ga ₂ O ₃ los sustratos se transfirieron a un reactor ALD (Wuxi MNT Micro Nanotech co., LTD, China). La tasa de crecimiento de las películas de ZnO fue ~ 1,6 Å / ciclo. Las películas de ZnO de 40 y 5 nm se cultivaron en β-Ga ₂ limpiado. O ₃ usando Zn (C ₂ H ₅ ) ₂ (DEZ) y H ₂ O a cada temperatura de 150, 200 y 250 ° C, respectivamente. El espesor de las películas de ZnO preparadas se midió mediante elipsómetro (Sopra GES-5E). El ZnO (40 nm) / β-Ga ₂ O ₃ se utilizó como estándar a granel, y el ZnO (5 nm) / β-Ga ₂ O ₃ se utilizó para determinar la alineación de la banda, mientras tanto, el β-Ga ₂ O ₃ se utilizó como muestra de control. Se realizaron mediciones de XPS (AXIS Ultra DLD, Shimadzu) con un paso de 0,05 eV para medir el máximo de la banda de valencia (VBM), los espectros de Ga 2p y Zn 2p. Para evitar la interferencia de la oxidación y la contaminación de la superficie, todas las muestras se grabaron con ion Ar durante 3 min con un voltaje de 2 kV antes de la medición de XPS. Tenga en cuenta que todos los espectros XPS fueron calibrados por el pico C 1s a 284,8 eV para compensar el efecto de carga. Para identificar la banda prohibida, los espectros de transmitancia óptica de Ga ₂ O ₃ y el ZnO se midieron mediante espectroscopía ultravioleta visible (UV-VIS) (Lambda 750, PerkinElmer, EE. UU.).

Resultados y discusión

La Figura 1 muestra la variación de (α hv ) ^{1 / n} en función de la energía de los fotones para β-Ga ₂ en masa O ₃ y la película de ZnO recién desarrollada depositada a 200 ° C. La banda prohibida óptica ( E _g ) de la película de ZnO y β-Ga ₂ O ₃ puede ser determinado por la relación de Tauc [21]:(α hv ) ^{1 / n} = A ( hv - E _g ), donde α es el coeficiente de absorción, A es una constante, hv es la energía del fotón incidente, E _g es la banda prohibida de energía óptica, n es 1/2 para la banda prohibida directa y 2 para la banda prohibida indirecta. Aquí, tanto ZnO como β-Ga ₂ O ₃ tienen un intervalo de banda directo típico que hace que el valor de n es 1/2. Posteriormente, E _g se puede extraer extrapolando la porción de línea recta al sesgo de energía en α =0. Por lo tanto, el E extraído _g de ZnO y β-Ga ₂ O ₃ son 3,20 eV y 4,65 eV, respectivamente, en buen acuerdo con lo informado. [22, 23]

La trama de (α hv ) ² versus hv para un Película de ZnO cultivada en vidrio de cuarzo b β-Ga ₂ O ₃ sustrato. El recuadro muestra los espectros de transmisión óptica de ZnO y β-Ga ₂ O ₃ , respectivamente

El desplazamiento de la banda de valencia (VBO) se puede determinar mediante el método de Kraut utilizando la siguiente fórmula [24]

$$ \ Delta {E} _V =\ left ({E} _ {Ga \ 2p} ^ {Ga_2 {O} _3} - {E} _ {VBM} ^ {Ga_2 {O} _3} \ right) - \ izquierda ({E} _ {Zn \ 2p} ^ {Zn O} - {E} _ {VBM} ^ {Zn O} \ right) - \ left ({E} _ {Ga \ 2p} ^ {Ga_2 {O } _3} - {E} _ {Zn \ 2p} ^ {Zn O} \ derecha), $$ (1)

donde \ ({E} _ {Ga \ 2p} ^ {Ga_2 {O} _3} - {E} _ {VBM} ^ {Ga_2 {O} _3} \) \ (\ Big ({E} _ {Zn \ 2p} ^ {Zn O} - {E} _ {VBM} ^ {Zn O} \)) representa la diferencia de energía entre el nivel de núcleo (CL) de Ga 2p (Zn 2p) y el VBM de β-Ga _{a granel 2} O ₃ (ZnO), y \ ({E} _ {Ga \ 2p} ^ {Ga_2 {O} _3} - {E} _ {Zn \ 2p} ^ {Zn O} \) denota como la diferencia de energía entre Ga 2p y Niveles básicos de Zn 2p. La Figura 2 muestra todos los espectros de CL, incluido Zn 2p de ZnO (40 nm) / β-Ga ₂ O ₃ y ZnO (5 nm) / β-Ga ₂ O ₃ , Ga 2p de Ga ₂ a granel O ₃ y ZnO (5 nm) / β-Ga ₂ O ₃ , así como los espectros de bandas de valencia de Ga ₂ a granel O ₃ y ZnO (40 nm) / β-Ga ₂ O ₃ . La Figura 2a presenta los espectros CL de Zn 2p en ZnO (40 nm) / β-Ga ₂ O ₃ , que es simétrico silencioso que indica el estado de enlace uniforme, y el pico se localiza en 1021,09 eV corresponde al enlace Zn-O [25]. El VBM se puede determinar mediante un método de extrapolación lineal [26]. El VBM de ZnO se encuentra en 2,11 eV. En la Fig. 2b, el pico ubicado en 1117.78 eV corresponde al enlace Ga-O [27] y el VBM de Ga ₂ O ₃ se deduce que es 2,74 eV según el método mencionado anteriormente. Los CL de Zn 2p y Ga 2p en el ZnO (5 nm) / β-Ga ₂ O ₃ se muestran en la Fig. 2c. Según Eq. (1), el VBO en la interfaz de ZnO / Ga ₂ O ₃ se determina que es de 0,06 eV.

Espectros XPS de alta resolución para el nivel del núcleo y el máximo de banda de valencia (VBM) de a Espectro de nivel de núcleo de Zn 2p y VBM de 40 nm ZnO / β-Ga ₂ O ₃ , b Espectro de nivel de núcleo de Ga 2p y VBM de β-Ga ₂ desnudo O ₃ y c los espectros a nivel del núcleo de Ga 2p y Zn 2p obtenidos de espectros XPS de alta resolución de 5 nm ZnO / β-Ga ₂ O ₃

Basado en el E calculado _g y ∆E _V , el desplazamiento de la banda de conducción (CBO) en el ZnO / Ga ₂ O ₃ La interfaz se puede deducir fácilmente de la siguiente ecuación:

$$ \ Delta {E} _C ={E} _g ^ {Ga_2 {O} _3} - {E} _g ^ {ZnO} - \ Delta {E} _V, $$ (2)

donde \ ({E} _g ^ {Ga_2 {O} _3} \) y \ ({E} _g ^ {ZnO} \) son la banda prohibida de energía para β-Ga ₂ O ₃ y ZnO, respectivamente. El diagrama detallado de bandas de energía para ZnO / β-Ga ₂ O ₃ se muestra en la Fig. 3. La interfaz tiene una alineación de banda de tipo I, donde los bordes de la banda de conducción y de valencia de ZnO se encuentran dentro de la banda prohibida de β-Ga ₂ O ₃ .

Diagrama esquemático de alineación de bandas de ZnO (200 ° C) / β-Ga ₂ O ₃ heterounión

Para examinar más a fondo el efecto de la temperatura de crecimiento en la alineación de la banda entre ZnO y β-Ga ₂ O ₃ , las películas de ZnO también se cultivan a 150 y 250 ° C. Tenga en cuenta que las películas de ZnO preparadas por ALD a temperaturas de 150–250 ° C tienen naturaleza policristalina. La Figura 4 muestra los espectros XPS de O 1s de alta resolución de las películas de ZnO cultivadas a diferentes temperaturas. Cada espectro de O 1s se puede separar bien en tres componentes usando la función Gaussiana-Lorentziana. Los picos centrados en 530,0 (O1), 531,6 (O2) y 532,4 (O3) eV corresponden a las bandas de Zn-O, las vacantes de oxígeno y el grupo –OH [28, 29], respectivamente. El porcentaje relativo de diferentes componentes también se calcula según el área del pico, digerido en la Fig. 4. Muestra que el contenido relativo de vacantes de oxígeno aumenta de 10,7 a 15,0% debido a la descomposición de precursores y al aumento de intersticiales de Zn. Sin embargo, la contraparte –OH se reduce del 5,1 al 1,9% debido a reacciones más completas entre los precursores DEZ y los grupos –OH de la superficie en este rango de temperatura [30].

Espectros XPS de O 1 s de alta resolución de las películas de ZnO cultivadas a a 150 ° C, b 200 ° C y c 250 ° C, respectivamente

La Figura 5 muestra las compensaciones de banda de ZnO / β-Ga ₂ O ₃ heterouniones en función de la temperatura de crecimiento. El CBO aumenta de 1,26 a 1,47 eV con una temperatura de crecimiento que varía de 150 a 250 ° C. Los defectos del donante nativo incluyen la anti-posición de Zn, las vacantes de oxígeno y los intersticiales de Zn. Sin embargo, la energía de formación de los átomos anti-posición es tan alta que su concentración es extremadamente baja. Los intersticiales de Zn tienen más influencia en el mínimo de la banda de conducción (CBM) que el de la vacante de oxígeno porque el CBM está dominado principalmente por la órbita 4s del átomo de Zn. [31] Como resultado, el aumento de CBO de 0,21 eV podría deberse principalmente a los intersticiales de Zn. Por otro lado, el VBO se reduce de 0,20 a 0,01 eV y la temperatura de crecimiento aumenta de 150 a 250 ° C. Los defectos del aceptador nativo incluyen la anti-posición O, las vacantes de Zn y los intersticiales de oxígeno [32], cuyas energías de formación son altas y su número puede ser incluso insignificante. Además, los niveles de aceptor más nativos se encuentran en lo profundo de la banda prohibida de ZnO, por lo que tienen poco efecto sobre el VBM [33]. Sin embargo, V _zn + OH es favorable para presentarse en dúo a la baja energía de formación, [34] V _zn + OH puede ocurrir con un electrón perteneciente a enlaces OH. La red de hidrógeno H ⁺ El ion actúa como un centro de compensación y puede unirse con el V _Zn alrededor del núcleo de las fallas de dislocación y apilamiento, lo que garantiza el defecto complejo de tipo aceptor para la conductividad de tipo p [35]. Se obtienen más grupos –OH residuales en la película de ZnO a una temperatura de crecimiento más baja, es decir, 150 ° C [36]. El nivel de aceptor cerca del VBM se reduce con la temperatura, lo que lleva a un desplazamiento descendente efectivo en E _V de ZnO, por lo que ∆E _V se vuelve más bajo. Por lo tanto, el ZnO depositado a una temperatura más baja podría ser más eficiente para reducir la altura de la barrera en la interfaz entre el metal y Ga ₂ O ₃ .

Las compensaciones de las bandas de conducción y valencia del ZnO / β-Ga ₂ depositado en la capa atómica O ₃ heterouniones fabricadas a diferentes temperaturas

Conclusiones

En resumen, la alineación de la banda de energía en el ZnO / β-Ga ₂ depositado en la capa atómica O ₃ (\ (\ overline {2} 01 \)) se caracterizó por XPS. Una alineación de banda de tipo I formada en el ZnO / β-Ga ₂ O ₃ interfaz. El desplazamiento de la banda de conducción aumentó de 1,26 a 1,47 eV, mientras que el desplazamiento de la banda de valencia disminuyó de 0,20 a 0,01 eV y la temperatura aumentó de 150 a 250 ° C. Estas observaciones sugieren que el ZnO depositado a temperaturas más bajas es favorable para ser un ISL prometedor para reducir la altura de la barrera electrónica en el ZnO / β-Ga ₂ O ₃ interfaz.

Abreviaturas

ALD:

Deposición de la capa atómica

CBM:

Banda de conducción mínima

CBO:

Desplazamiento de la banda de conducción.

CVD:

Deposición de vapor químico

DEZ:

Zn (C ₂ H ₅ ) ₂

Ga ₂ O ₃ :

Óxido de galio

GaN:

Nitruro de galio

ISL:

Capa semiconductora intermedia

MOSFET:

Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico

OH:

Hidroxilo

SiC:

Carburo de silicio

UV-VIS:

Espectroscopía ultravioleta visible

VBM:

Máximo de banda de valencia

VBO:

Desplazamiento de la banda de valencia

XPS:

Espectroscopia de rayos X

ZnO:

Óxido de zinc

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